第一章-自動控制系統(tǒng)概念課件

自動控制原理

第一章控制系統(tǒng)的一般概念自動控制原理第一章1課程的內(nèi)容及要求通過本課程的學(xué)習(xí)，要求掌握自動控制系統(tǒng)的組成和工作原理；掌握建立簡單控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法；掌握分析控制系統(tǒng)的三種方法：時域法、根軌跡法和頻率法；了解線性系統(tǒng)的校正方法。課程的內(nèi)容及要求通過本課程的學(xué)習(xí)，要求掌握自動控制系統(tǒng)的組成2課程的內(nèi)容及要求掌握系統(tǒng)動態(tài)過程及性能。對于一個給定的已存在的具體系統(tǒng)，如何從理論上對系統(tǒng)的動態(tài)性能進(jìn)行定性分析和定量估算——系統(tǒng)分析。根據(jù)給定的系統(tǒng)的動態(tài)性能要求，如何根據(jù)已知的受控對象，合理地確定控制裝置的部分結(jié)構(gòu)和參數(shù)——系統(tǒng)設(shè)計(jì)。課程的內(nèi)容及要求掌握系統(tǒng)動態(tài)過程及性能。3控制思想的起源控制的思想與技術(shù)的存在至少已有數(shù)千年的歷史?！翱刂啤边@一概念本身即反映了人們對征服自然與外在的渴望，控制理論與技術(shù)也自然而然地在人們認(rèn)識自然與改造自然的歷史中發(fā)展起來?？刂扑枷氲钠鹪纯刂频乃枷肱c技術(shù)的存在至少已有數(shù)千年的歷史?！?自動控制的定義及意義

自動控制是指應(yīng)用自動化儀器、儀表或自動控制裝置代替人自動地對儀器設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，使之達(dá)到預(yù)期的狀態(tài)或性能指標(biāo)。對傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)過程采用自動控制技術(shù)，可以有效提高產(chǎn)品的質(zhì)量和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。對一些惡劣環(huán)境下的控制操作，自動控制顯得尤其重要。

自動控制的定義及意義自動控制是指應(yīng)用自動化儀器、儀表或自動5歷史上的三本重要著作

《通訊的數(shù)學(xué)理論》（AMathematicalTheoryofCommunication），目前被作為信息論開端的香農(nóng)(ClaudeElwoodShannon,1916-)的論文。奠定了信息論的基礎(chǔ)?！犊刂普?，或關(guān)于在動物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)》，控制論創(chuàng)立者維納（NorbertWienner,1894-1964）的經(jīng)典論著?！豆こ炭刂普摗?/p>

錢學(xué)森(TsienHS,1991-)的著作《工程控制論》（EngineeringCybernetics.1954）。這三部著作對人類社會有著巨大的影響，產(chǎn)生了新型的綜合性基礎(chǔ)理論：控制論，信息論和工程控制論。歷史上的三本重要著作《通訊的數(shù)學(xué)理論》（AMathema6第一章-自動控制系統(tǒng)概念課件7第一章-自動控制系統(tǒng)概念課件8第一章-自動控制系統(tǒng)概念課件9第一章-自動控制系統(tǒng)概念課件10第一章-自動控制系統(tǒng)概念課件11

自動控制系統(tǒng)的常用概念控制：某個主體使其它對象按照一定的目的動作的過程，“其它對象”可以是一個過程，也可以是器械、生產(chǎn)系統(tǒng)。自動控制：在無人直接參與的情況下，通過控制器使被控對象或過程自動按照預(yù)定要求(規(guī)律)運(yùn)行的行為。自動控制系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)自動任務(wù)的系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)的常用概念控制：某個主體使其它對象按照12被控對象：以上所指的其它對象，通常稱受控對象，即機(jī)械或裝備，如燃?xì)廨啓C(jī)、鍋爐等。被控量：表征被控對象工作狀態(tài)的物理量，如電壓、轉(zhuǎn)速、溫度等。輸入量：作用與系統(tǒng)輸入端，是實(shí)現(xiàn)輸出量控制的參考物理量。輸出量：被控對象中要求實(shí)現(xiàn)自動控制的物理量，位于系統(tǒng)輸出端。被控對象：13給定值（參考輸入）：在整個過程中，被控量所應(yīng)保持的理想數(shù)值.控制的任務(wù)：使受控對象的被控量等于給定值.擾動：不改變控制機(jī)構(gòu)參數(shù)而使被控量發(fā)生變化的因素.擾動量：妨礙控制量對被控制量按要求進(jìn)行正?？刂频奈锢砹?給定值（參考輸入）：14開環(huán)控制：被控制量只受控于控制量，而對控制量不能反施影響的一類系統(tǒng)成為開環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)：用以完成一定任務(wù)的一些元、部件的組合為系統(tǒng)?？刂七^程：消除擾動因素對系統(tǒng)的影響，從而保持被控制量按預(yù)期要求變化的過程，稱為控制過程。開環(huán)控制：15反饋控制原理為了實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制任務(wù)，首先要將被控對象和控制裝置按照一定的方式連接起來，組成一個有機(jī)整體，這就是自動控制系統(tǒng)。在自動控制系統(tǒng)中，被控對象的輸出量，即被控量，是要求嚴(yán)格加以控制的物理量，它們可以被要求保持為某一恒定值，如溫度、壓力、液位等，也可以要求按某個給定的規(guī)律運(yùn)行（或變化），如飛行軌跡、運(yùn)行軌跡等。而控制裝置則是對被控對象施加影響（即控制作用）的機(jī)構(gòu)的總體。反饋控制原理為了實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制任務(wù)，首先要將被控對象和控16第一章-自動控制系統(tǒng)概念課件17反饋控制原理在反饋控制系統(tǒng)中，控制裝置對被控對象施加的控制作用，是取自被控量的反饋信息，用來不斷修正被控量和輸入量之間的偏差，從而實(shí)現(xiàn)對被控對象進(jìn)行控制的任務(wù)，這就是反饋控制的原理。反饋控制原理在反饋控制系統(tǒng)中，控制裝置對被控對象施加的控制作18反饋控制利用通過負(fù)反饋產(chǎn)生的偏差所取得的控制作用去消除偏差的控制原理稱為反饋控制原理；反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執(zhí)行。在控制過程中，測量測量所關(guān)心的變量，并與期望值相比較，用這個誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。不管什么原因引起被控制量偏離其期望值而產(chǎn)主偏差時，一定會產(chǎn)生一個相應(yīng)的控制作用，而該控制作用將盡可能去消除偏差，使被控制量重新恢復(fù)到期望值上去。因此，反饋控制系統(tǒng)具有抑制任何內(nèi)外部干擾對系統(tǒng)輸出影響的能力。反饋控制利用通過負(fù)反饋產(chǎn)生的偏差所取得的控制作用去消除偏差的19按控制方法分類最優(yōu)控制（optimalcontrol）使控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的基本條件和綜合方法。對一個受控的動力學(xué)系統(tǒng)或運(yùn)動過程，從一類允許的控制方案中找出一個最優(yōu)的控制方案，使系統(tǒng)的運(yùn)動在由某個初始狀態(tài)轉(zhuǎn)移到指定的目標(biāo)狀態(tài)的同時，其性能指標(biāo)值為最優(yōu)。這類問題廣泛存在于技術(shù)領(lǐng)域或社會問題中。例如，確定一個最優(yōu)控制方式使空間飛行器由一個軌道轉(zhuǎn)換到另一軌道過程中燃料消耗最少(或耗時最短)。最優(yōu)控制已被應(yīng)用于綜合和設(shè)計(jì)最優(yōu)控制系統(tǒng)、最省燃料控制系統(tǒng)、最小能耗控制系統(tǒng)、線性調(diào)節(jié)器等。按控制方法分類最優(yōu)控制（optimalcontrol）這20按控制方法分類系統(tǒng)辨識(SystemIdentification)

根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出時間函數(shù)來確定描述系統(tǒng)行為的數(shù)學(xué)模型。通過辨識建立數(shù)學(xué)模型的目的是估計(jì)表征系統(tǒng)行為的重要參數(shù)，建立一個能模仿真實(shí)系統(tǒng)行為的模型，用當(dāng)前可測量的系統(tǒng)的輸入和輸出預(yù)測系統(tǒng)輸出的未來演變，以及設(shè)計(jì)控制器。對系統(tǒng)進(jìn)行分析的主要問題是根據(jù)輸入時間函數(shù)和系統(tǒng)的特性來確定輸出信號。對系統(tǒng)進(jìn)行控制的主要問題是根據(jù)系統(tǒng)的特性設(shè)計(jì)控制輸入，使輸出滿足預(yù)先規(guī)定的要求。而系統(tǒng)辨識所研究的問題恰好是這些問題的逆問題。按控制方法分類系統(tǒng)辨識(SystemIdentifica21自適應(yīng)控制(Self-adaptablecontrol)

自適應(yīng)是指生物能改變自己的習(xí)性以適應(yīng)新的環(huán)境的一種特征。自適應(yīng)控制器應(yīng)當(dāng)是這樣一種控制器，它能修正自己的特性以適應(yīng)對象和擾動的動態(tài)特性的變化。自適應(yīng)控制的研究對象是具有一定程度不確定性的系統(tǒng)，這里所謂的“不確定性”是指描述被控對象及其環(huán)境的數(shù)學(xué)模型不是完全確定的，其中包含一些未知因素和隨機(jī)因素。自適應(yīng)控制(Self-adaptablecontrol)22魯棒控制(Robustcontrol)

系統(tǒng)的“魯棒性”，是指控制系統(tǒng)在一定（結(jié)構(gòu)，大?。┑膮?shù)攝動下，維持某些性能的特性。以閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒性作為目標(biāo)設(shè)計(jì)得到的固定控制器稱為魯棒控制器。由于工作狀況變動、外部干擾以及建模誤差的緣故，實(shí)際工業(yè)過程的精確模型很難得到，而系統(tǒng)的各種故障也將導(dǎo)致模型的不確定性，因此可以說模型的不確定性在控制系統(tǒng)中廣泛存在。如何設(shè)計(jì)一個固定的控制器，使具有不確定性的對象滿足控制品質(zhì)，就是魯棒控制的任務(wù)。魯棒控制(Robustcontrol)23按控制對象及控制方式分類單輸入--單輸出多輸入--多輸出按控制對象及控制方式分類單輸入--單輸出24按系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型分類線性連續(xù)控制系統(tǒng)這類系統(tǒng)可以用線性微分方程式描述，其一般形式為被控量輸入量系數(shù)系數(shù)按系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型分類線性連續(xù)控制系統(tǒng)被控量輸入量系數(shù)系數(shù)25線性定常連續(xù)系統(tǒng)按其輸入量的變化規(guī)律不同，又可分為恒值控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。1）恒值控制系統(tǒng)的輸入量是一個常值，要求被控量也等于一個常值，故又稱為調(diào)節(jié)器。這類控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是研究各種擾動對控制對象的影響以及抗干擾的措施。2）隨動系統(tǒng)的輸入量是預(yù)先未知的隨時間任意變化的函數(shù)，要求被控量以盡可能小的誤差跟隨輸入量的變化，故又稱跟蹤系統(tǒng)。在這類系統(tǒng)中，擾動的影響是次要的，系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是研究被控量跟隨的快速性和準(zhǔn)確性。線性定常連續(xù)系統(tǒng)按其輸入量的變化規(guī)律不同，又可分為恒值控制系263）程序控制系統(tǒng)的輸入量是按預(yù)定規(guī)律隨時間變化的函數(shù)，要求被控量迅速、準(zhǔn)確地加以復(fù)現(xiàn)。例如，機(jī)械加工中的數(shù)控機(jī)床。這類控制系統(tǒng)的輸入量也是時間的函數(shù)，與隨動系統(tǒng)的輸入量不同的是，其時間函數(shù)是已知的，而隨動系統(tǒng)的輸入量是未知的任意時間函數(shù)。恒值控制系統(tǒng)也可視為程序控制系統(tǒng)的特例。3）程序控制系統(tǒng)的輸入量是按預(yù)定規(guī)律隨時間變化的函數(shù)，要求被272.線性定常離散控制系統(tǒng)

離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)的某處或多處的信號為脈沖序列或數(shù)碼形式，因而信號在時間上是離散的。連續(xù)信號經(jīng)過采樣開關(guān)的采樣后，就可以轉(zhuǎn)換成離散信號。一般地，在離散系統(tǒng)中，既有連續(xù)的模擬信號，也有離散的數(shù)字信號。離散系統(tǒng)要用差分方程來描述，差分方程的一般形式為：常系數(shù)常系數(shù)輸出采樣序列輸入采樣序列差分方程的次數(shù)2.線性定常離散控制系統(tǒng)離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)的某處或多283.非線性控制系統(tǒng)系統(tǒng)中只要有一個元件的輸入-輸出特性是非線性的，這類系統(tǒng)就稱為非線性控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)要用非線性微分方程（或非線性差分方程）來描述其特性。非線性方程的特點(diǎn)是系數(shù)與變量有關(guān)，或者方程中含有變量及其導(dǎo)數(shù)的高次冪或乘積項(xiàng)。目前，對不同類型的非線性控制系統(tǒng)的研究還沒有統(tǒng)一、有效的方法，對于一些非線性程度不太嚴(yán)重的元件，可在一定范圍內(nèi)進(jìn)行線性化處理，使之近似成為線性系統(tǒng)。3.非線性控制系統(tǒng)系統(tǒng)中只要有一個元件的輸入-輸出特性是非線29自動控制與人工控制人工控制過程分析對策觀察執(zhí)行工作對象觀察預(yù)期目標(biāo)干擾實(shí)際結(jié)果自動控制與人工控制人工控制過程分析對策觀察執(zhí)行工作對象觀察預(yù)30自動控制的方法測量執(zhí)行測量比較計(jì)算受控對象被控量干擾工作對象——受控對象實(shí)際對象——被控量給定值自動控制的方法測量執(zhí)行測量比較計(jì)算受控對象被控量干擾工作對31開環(huán)控制：開環(huán)控制：系統(tǒng)的輸出量與輸入量之間只有順向作用，而無反向聯(lián)系，輸出量對系統(tǒng)的控制過程不發(fā)生影響計(jì)算執(zhí)行受控對象干擾給定值被控量開環(huán)控制：開環(huán)控制：系統(tǒng)的輸出量與輸入量之間只有順向作用，而32開環(huán)控制的特點(diǎn)：輸出量只取決于控制信號和元件特性。當(dāng)系統(tǒng)元件性能發(fā)生變化或出現(xiàn)干擾因素時，被控量將與給定值之間發(fā)生發(fā)生較大偏差而不能自動校正。輸出量的控制精度將取決于控制器及被控對象的參數(shù)穩(wěn)定性。環(huán)節(jié)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定性好。于是開環(huán)系統(tǒng)具有規(guī)定的精度，系統(tǒng)各元、部件的參數(shù)值，在工作過程中，必須嚴(yán)格保持在事先校準(zhǔn)的量值上。開環(huán)控制的特點(diǎn)：33閉環(huán)（反饋）控制：

需控制的是被控對象的被控量，而測量的也是被控量。并與給定值進(jìn)行比較計(jì)算，求得它們的偏差，通過偏差來自動糾正偏差——按偏差調(diào)節(jié)系統(tǒng)。利用通過負(fù)反饋產(chǎn)生的偏差所取得的控制作用去消除偏差的控制原理稱為反饋控制原理。比較計(jì)算執(zhí)行受控對象測量給定值被控量閉環(huán)（反饋）控制：比較計(jì)算執(zhí)行受控對象測量給定值被控量34閉環(huán)(反饋)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：無論是由干擾造成的，還是由結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化引起的，只要被控量出現(xiàn)偏差，系統(tǒng)則自動糾偏，使被控量重新恢復(fù)到期望值上去。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度高，穩(wěn)定性降低，實(shí)現(xiàn)較困難。只有當(dāng)系統(tǒng)的擾動量無法事先預(yù)計(jì)的情況下，閉環(huán)控制方案才具有明顯的優(yōu)勢。閉環(huán)(反饋)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：35閉環(huán)控制系統(tǒng)必須滿足的要求必須對被控制量進(jìn)行測量，并將其反饋到系統(tǒng)的輸入端與控制量相減（即負(fù)反饋），得到偏差；對偏差進(jìn)行適當(dāng)放大，從而產(chǎn)生對被控對象（如電動機(jī)）的控制作用；上述控制作用應(yīng)使被控制量作消除偏差保持期望值的相應(yīng)變化。閉環(huán)控制系統(tǒng)必須滿足的要求必須對被控制量進(jìn)行測量，并將其反36開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)的比較開環(huán)控制系統(tǒng)是由輸入來控制輸出的單向控制,它是單向的控制過程；閉環(huán)控制系統(tǒng)是輸出量反饋回輸入端參與控制的控制系統(tǒng),輸入量與輸出量往往是不同性質(zhì)的量；其特點(diǎn)為：

1、有反饋；

2、會調(diào)整；

3、被控量會被控制在一定的值——結(jié)果穩(wěn)定；

4、“結(jié)果”會影響“結(jié)果”；

5、給定量與被控量是可比較的同一種性質(zhì)的量。開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)的比較開環(huán)控制系統(tǒng)是由輸入來控制輸出的單37b.開環(huán)控制系統(tǒng)容易建造，且不必對被控制量進(jìn)行測量和反饋，因而結(jié)構(gòu)簡單。故當(dāng)系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的干擾預(yù)先確知，且可做到有效補(bǔ)償時，采用開環(huán)控制具有一定優(yōu)越性，特別是被控制量難以直接測量時可以考慮采用開環(huán)控制方案。只有當(dāng)系統(tǒng)的擾動量無法事先預(yù)計(jì)的情況下，閉環(huán)控制方案才具有明顯的優(yōu)越性；c.從系統(tǒng)的穩(wěn)定性來考慮，開環(huán)控制系統(tǒng)在這個問題上容易解決，因而不是一個十分重要的問題；但對閉環(huán)控制系統(tǒng)來說，穩(wěn)定性則是要研究的主要問題之一。b.開環(huán)控制系統(tǒng)容易建造，且不必對被控制量進(jìn)行測量和反饋38d.對開環(huán)控制系統(tǒng)來說，由于不存在被控制量到控制量的負(fù)反饋，所以對于擾動給被控制量造成的誤差，系統(tǒng)不具有自行修正的能力。對于這類系統(tǒng)的控制精度便完全由采用高精度元件和采取有效的抗干擾措施來保證；在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，由于采用負(fù)反饋因而被控制量對于外部和內(nèi)部的干擾都不甚敏感，從而有可能采用精度不高，成本低廉的元件來構(gòu)成控制質(zhì)量較高的系統(tǒng)；d.對開環(huán)控制系統(tǒng)來說，由于不存在被控制量到控制量的負(fù)反饋39

項(xiàng)目

開環(huán)控制

閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)抑制擾動能力控制精度設(shè)計(jì)與分析簡單無一般較方便復(fù)雜能夠抑制內(nèi)、外擾動對系統(tǒng)輸出的影響較高較困難，需要考慮不換系統(tǒng)穩(wěn)定性反饋控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)比較項(xiàng)目開環(huán)控制閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡單復(fù)雜反饋控40復(fù)合控制

在反饋控制系統(tǒng)中，加入開環(huán)控制措施（稱為前饋），以補(bǔ)償反饋控制的不足，稱為復(fù)合控制。常用于對控制性能要求較高的系統(tǒng)中。如下圖中（a）、（b）、（c）。復(fù)合控制41第一章-自動控制系統(tǒng)概念課件42控制系統(tǒng)常用符號及表示方法

r(t)代表控制量或控制信號；

c(t)代表被控制量或被控制信號；

ε(t)代表偏差或偏差信號；

f(t)代表擾動量或擾動信號；符號○代表信號比較，其中“－”號表示對反饋信號y(t)取負(fù)值，即負(fù)反饋。方框圖中箭頭指示方向代表信號流通方向，箭頭進(jìn)入方框的一側(cè)為方框的輸入端，箭頭離開方框的一側(cè)為其輸出端。對構(gòu)成系統(tǒng)的每一個方框來說，箭頭指示方向是不變的，說明信號在控制系統(tǒng)中是單方向流通的，不可逆的；×控制系統(tǒng)常用符號及表示方法r(t)代表控制量或控制信號；43控制系統(tǒng)分類舉例隨動系統(tǒng)：隨動系統(tǒng)又稱為servosystem，是一種反饋控制系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，輸出量是機(jī)械位移、速度或者加速度。由于隨動系統(tǒng)的參考輸入不是時間的解析函數(shù)，如何變化事先并不知道,因此，控制輸入量的變化規(guī)律不能預(yù)先確定?？刂葡到y(tǒng)的任務(wù)是在各種情況下保證輸出量以一定精度迅速、準(zhǔn)確、平穩(wěn)地跟隨著參考輸入的變化而變化。就反饋控制系統(tǒng)來說，其控制信號r(t)為任意時間函數(shù)，其變化規(guī)律很難預(yù)測，若要求系統(tǒng)準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)這樣的控制信號，則稱這類反饋控制系統(tǒng)為隨動系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)分類舉例隨動系統(tǒng)：隨動系統(tǒng)又稱為servosys44控制的任務(wù)：使工作機(jī)械隨指令機(jī)構(gòu)同步轉(zhuǎn)動Qc(t)=Qr(t)舉例：控制的任務(wù)：使工作機(jī)械隨指令機(jī)構(gòu)同步轉(zhuǎn)動Qc(t)=Q45被控對象：

工作機(jī)械被控量：

Qc給定值：

Qr測量元件：

轉(zhuǎn)角Qc及Qr通過兩個相同的電位計(jì)測量并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓Uc和Ur；計(jì)算比較：

兩電位計(jì)橋式連接，即可完成減法運(yùn)算Us=（Ur-Uc），Us即代表了被控量Qc對給定值Qr

的偏差；執(zhí)行機(jī)構(gòu)：

電機(jī)減速裝置；被控對象：46方框圖方框圖47控制原理

Qc=Qr，則Uc=Ur，Us=0，電機(jī)不轉(zhuǎn)，系統(tǒng)平衡；

Qr

增大，Ur增大，若Qc不變、Uc不變則Us=Ur-Uc大于0，電機(jī)正轉(zhuǎn)，使Qc增大，直到Qc=Qr，達(dá)到新的平衡；Qr減小，Ur減小，若Qc不變、Uc不變則

Us=Ur-Uc小于0，電機(jī)反轉(zhuǎn)，使Qc減小，

直到Qc=Qr，達(dá)到新的平衡。控制原理48恒值控制系統(tǒng)定義若反饋控制系統(tǒng)控制量取常值，從而要求其被控制量也保持在相應(yīng)的常值上，則稱這類反饋控制系統(tǒng)為恒值控制系統(tǒng)。特點(diǎn)在恒值控制系統(tǒng)中，由于其控制量取常值，所以使被控制量偏離其期望值的主要因素為擾動量的存在。恒值控制系統(tǒng)定義49舉例舉例50分析被控對象：烘爐被控量：爐溫Tc

干擾：工件、環(huán)境溫度、煤氣壓力等依靠調(diào)節(jié)煤氣管道上的閥門改變爐溫；測量元件：熱電偶，它將爐溫轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓給定裝置：給定電位計(jì)輸出電壓Ur相當(dāng)于要求的爐溫計(jì)算：

Ur、Ut兩電壓反接，即完成減法運(yùn)算輸出電壓（Ur-Ut）相當(dāng)于爐溫的偏差執(zhí)行機(jī)構(gòu)：電動機(jī)及傳動裝置分析51控制原理：假定爐溫恰好等于給定值，事先調(diào)整好。這時：Ut=Ur，電壓差等于零，電機(jī)不轉(zhuǎn)；煤氣流量不變，烘爐處于恒溫狀態(tài)。如果增加工件，烘爐的負(fù)荷加大，而煤氣流量一時沒變，則爐溫下降，T減小導(dǎo)致Ut下降，（Ur-Ut）大于0，電機(jī)正轉(zhuǎn)帶動閥門開大，增加煤氣供給量，爐溫回升，直到Ut=Ur。若工件減少，則T上升，Ut增大，（Ur-Ut）小于零，電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動閥門關(guān)小，減小煤氣流量，爐溫下降，直到Ut=Ur為止?？刂圃恚?2數(shù)字控制系統(tǒng)數(shù)字控制系統(tǒng)是一類以數(shù)字計(jì)算機(jī)為控制器實(shí)現(xiàn)具有連續(xù)工作狀態(tài)被控對象閉環(huán)控制的反饋控制系統(tǒng)。由于控制量r(t)，被控制量c(t)和偏差e(t)均為模擬量，而數(shù)字計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字的離散信號。因此在數(shù)字控制系統(tǒng)中需采用采樣開關(guān)，模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（A/D），數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器（D/A）和保持器。數(shù)字控制系統(tǒng)53自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成為測量控制量及被控制量，系統(tǒng)需有測量元件；為實(shí)現(xiàn)被控制量到控制量的負(fù)反饋以產(chǎn)生偏差信號，系統(tǒng)需有比較元件；由于偏差信號一般比較微弱，為使其具有足夠大的幅值和功率，系統(tǒng)需有放大元件；為能使系統(tǒng)偏差經(jīng)放大形成的控制作用驅(qū)動披控制對象以產(chǎn)生按控制信號的變化規(guī)律而變化的被控制信號，系統(tǒng)還需有執(zhí)行元件；為使系統(tǒng)能正常工作，還需在系統(tǒng)中加進(jìn)能消除或減弱上述振蕩從而提高其控制性能的元件，稱這類元件為校正元件；自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成為測量控制量及被控制量，系統(tǒng)需有測量元件54對控制系統(tǒng)的基本要求任何一個反饋控制系統(tǒng)的工作都必須是穩(wěn)定的，這是對反饋控制系統(tǒng)提出的最基本要求；阻尼程度及超調(diào)；響應(yīng)速度及控制精度；對控制系統(tǒng)的基本要求任何一個反饋控制系統(tǒng)的工作都必須是穩(wěn)定55對控制系統(tǒng)基本要求的體現(xiàn)通過系統(tǒng)對特定形式輸入信號的響應(yīng)過程所具有的一些特征值來體現(xiàn)的。響應(yīng)過程是指反饋控制系統(tǒng)在控制量或擾動量作用下由原平衡狀態(tài)變化到新平衡狀態(tài)時的過程來說的。在分析與設(shè)計(jì)反饋控制系統(tǒng)時，對其提出的基本要求多數(shù)情況下是通過系統(tǒng)對單位階躍信號的響應(yīng)，即單位階躍響應(yīng)的某些特征量體現(xiàn)的。對控制系統(tǒng)基本要求的體現(xiàn)通過系統(tǒng)對特定形式輸入信號的響應(yīng)過56對控制系統(tǒng)基本要求的具體衡量超調(diào)量式中：cmax=sup|c(t)|，0≤t<∞Sup|c(t)|代表單位階躍響應(yīng)在0≤t<∞區(qū)間的上確界。當(dāng)t≥ts時，若有|c(t)-c(∞)|≤Δc(∞)，則定義ts為系統(tǒng)響應(yīng)過程的調(diào)時間。其中Δ為給定的微量，一般常取Δ=0.02或0.05。對控制系統(tǒng)基本要求的具體衡量超調(diào)量式中：cmax=57調(diào)整時間ts

當(dāng)t≥ts時，若有|c(t)-c(∞)|≤Δc(∞)，則定義ts為系統(tǒng)響應(yīng)過程的調(diào)整時間。其中Δ為給定的微量，一般常取Δ=0.02或0.05。調(diào)整時間ts58說明：系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)整時間是描述響應(yīng)過程的兩個重要特征量，是在阻尼程度與響應(yīng)速度方面反映對控制系統(tǒng)的基本要求。超調(diào)量小，說明系統(tǒng)的阻尼程度高，其響應(yīng)過程進(jìn)行得平穩(wěn)；而調(diào)整時間短，則說明系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)過渡到另一個新穩(wěn)態(tài)的響應(yīng)速度高。反之亦然。說明：系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)整時間是描述響應(yīng)過程的兩個重要特征量，59振蕩次數(shù)N

定義c(t)繞c(∞)完成一峰一谷，即一個振蕩周期為振蕩一次；峰值時間tp

定義c(t)達(dá)到cmax的時間tp為單位階躍響應(yīng)的峰值時間。tp的大小反映系統(tǒng)響應(yīng)速度的高低，它重點(diǎn)體現(xiàn)響應(yīng)過程在起始階段的響應(yīng)速度；振蕩次數(shù)N60穩(wěn)態(tài)誤差反饋控制系統(tǒng)在控制精度方面的基本要求由c(∞)與被控制信號的預(yù)期值之差，即系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差來描述；誤差信號定義系統(tǒng)期望輸出cr(t)與實(shí)際輸出c(t)之差為反饋系統(tǒng)響應(yīng)r(t)誤差信號，記為e(t),即e(t)

=cr(t)-c(t)穩(wěn)態(tài)誤差61例1.液位自動控制系統(tǒng)如圖所示，在任意情況下，希望水箱中的液面高度Hc保持不變，試說明系統(tǒng)工作原理。例1.液位自動控制系統(tǒng)如圖所示，在任意情況下，希望水箱中62解：設(shè)控制系統(tǒng)的輸入信號r(Hr)是液位指令信號（連續(xù)電壓），反饋信號y(Hf)是代表水箱中液面高度Hc的電壓信號。分析：當(dāng)反饋信號Hf與指令信號Hr不相等時，若ε=Hr-Hf>0,放大器輸出I>0，驅(qū)動進(jìn)水控制閥門開度增大，使進(jìn)水量Q1增大；經(jīng)測量裝置使Hf逐步增大，直到ε=0，電機(jī)停止工作；閥門開度是偏差信號ε的積分。本系統(tǒng)是無差系統(tǒng)。當(dāng)ε<0時，系統(tǒng)工作原理相同，Hf逐步減小，直到ε=0.液位自動控制系統(tǒng)方框圖如下。解：設(shè)控制系統(tǒng)的輸入信號r(Hr)是液位指令信號（連續(xù)電壓）63第一章-自動控制系統(tǒng)概念課件64例2.倉庫大門自動控制系統(tǒng)原理如圖所示。試說明系統(tǒng)自動控制大門開啟的工作原理，畫出系統(tǒng)方框圖。例2.倉庫大門自動控制系統(tǒng)原理如圖所示。65解：畫出系統(tǒng)方框圖如下?？刂葡到y(tǒng)輸入信號r為二進(jìn)制信號（高電位開門、低電位關(guān)門），反饋信號y表示門位置的電壓信號。當(dāng)門處于關(guān)閉狀態(tài)、指令信號為開門時，ε=r-y>0，u>0，ω>0，門位置向打開方向平穩(wěn)運(yùn)動，使y逐步增大，直到ε=0，電機(jī)停止工作。關(guān)門過程原理相同。解：畫出系統(tǒng)方框圖如下?？刂葡到y(tǒng)輸入信號r為二進(jìn)制信號（高電66

自動控制原理

第一章控制系統(tǒng)的一般概念自動控制原理第一章67課程的內(nèi)容及要求通過本課程的學(xué)習(xí)，要求掌握自動控制系統(tǒng)的組成和工作原理；掌握建立簡單控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法；掌握分析控制系統(tǒng)的三種方法：時域法、根軌跡法和頻率法；了解線性系統(tǒng)的校正方法。課程的內(nèi)容及要求通過本課程的學(xué)習(xí)，要求掌握自動控制系統(tǒng)的組成68課程的內(nèi)容及要求掌握系統(tǒng)動態(tài)過程及性能。對于一個給定的已存在的具體系統(tǒng)，如何從理論上對系統(tǒng)的動態(tài)性能進(jìn)行定性分析和定量估算——系統(tǒng)分析。根據(jù)給定的系統(tǒng)的動態(tài)性能要求，如何根據(jù)已知的受控對象，合理地確定控制裝置的部分結(jié)構(gòu)和參數(shù)——系統(tǒng)設(shè)計(jì)。課程的內(nèi)容及要求掌握系統(tǒng)動態(tài)過程及性能。69控制思想的起源控制的思想與技術(shù)的存在至少已有數(shù)千年的歷史?！翱刂啤边@一概念本身即反映了人們對征服自然與外在的渴望，控制理論與技術(shù)也自然而然地在人們認(rèn)識自然與改造自然的歷史中發(fā)展起來?？刂扑枷氲钠鹪纯刂频乃枷肱c技術(shù)的存在至少已有數(shù)千年的歷史?！?0自動控制的定義及意義

自動控制是指應(yīng)用自動化儀器、儀表或自動控制裝置代替人自動地對儀器設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，使之達(dá)到預(yù)期的狀態(tài)或性能指標(biāo)。對傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)過程采用自動控制技術(shù)，可以有效提高產(chǎn)品的質(zhì)量和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。對一些惡劣環(huán)境下的控制操作，自動控制顯得尤其重要。

自動控制的定義及意義自動控制是指應(yīng)用自動化儀器、儀表或自動71歷史上的三本重要著作

《通訊的數(shù)學(xué)理論》（AMathematicalTheoryofCommunication），目前被作為信息論開端的香農(nóng)(ClaudeElwoodShannon,1916-)的論文。奠定了信息論的基礎(chǔ)?！犊刂普?，或關(guān)于在動物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)》，控制論創(chuàng)立者維納（NorbertWienner,1894-1964）的經(jīng)典論著。《工程控制論》

錢學(xué)森(TsienHS,1991-)的著作《工程控制論》（EngineeringCybernetics.1954）。這三部著作對人類社會有著巨大的影響，產(chǎn)生了新型的綜合性基礎(chǔ)理論：控制論，信息論和工程控制論。歷史上的三本重要著作《通訊的數(shù)學(xué)理論》（AMathema72第一章-自動控制系統(tǒng)概念課件73第一章-自動控制系統(tǒng)概念課件74第一章-自動控制系統(tǒng)概念課件75第一章-自動控制系統(tǒng)概念課件76第一章-自動控制系統(tǒng)概念課件77

自動控制系統(tǒng)的常用概念控制：某個主體使其它對象按照一定的目的動作的過程，“其它對象”可以是一個過程，也可以是器械、生產(chǎn)系統(tǒng)。自動控制：在無人直接參與的情況下，通過控制器使被控對象或過程自動按照預(yù)定要求(規(guī)律)運(yùn)行的行為。自動控制系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)自動任務(wù)的系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)的常用概念控制：某個主體使其它對象按照78被控對象：以上所指的其它對象，通常稱受控對象，即機(jī)械或裝備，如燃?xì)廨啓C(jī)、鍋爐等。被控量：表征被控對象工作狀態(tài)的物理量，如電壓、轉(zhuǎn)速、溫度等。輸入量：作用與系統(tǒng)輸入端，是實(shí)現(xiàn)輸出量控制的參考物理量。輸出量：被控對象中要求實(shí)現(xiàn)自動控制的物理量，位于系統(tǒng)輸出端。被控對象：79給定值（參考輸入）：在整個過程中，被控量所應(yīng)保持的理想數(shù)值.控制的任務(wù)：使受控對象的被控量等于給定值.擾動：不改變控制機(jī)構(gòu)參數(shù)而使被控量發(fā)生變化的因素.擾動量：妨礙控制量對被控制量按要求進(jìn)行正?？刂频奈锢砹?給定值（參考輸入）：80開環(huán)控制：被控制量只受控于控制量，而對控制量不能反施影響的一類系統(tǒng)成為開環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)：用以完成一定任務(wù)的一些元、部件的組合為系統(tǒng)?？刂七^程：消除擾動因素對系統(tǒng)的影響，從而保持被控制量按預(yù)期要求變化的過程，稱為控制過程。開環(huán)控制：81反饋控制原理為了實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制任務(wù)，首先要將被控對象和控制裝置按照一定的方式連接起來，組成一個有機(jī)整體，這就是自動控制系統(tǒng)。在自動控制系統(tǒng)中，被控對象的輸出量，即被控量，是要求嚴(yán)格加以控制的物理量，它們可以被要求保持為某一恒定值，如溫度、壓力、液位等，也可以要求按某個給定的規(guī)律運(yùn)行（或變化），如飛行軌跡、運(yùn)行軌跡等。而控制裝置則是對被控對象施加影響（即控制作用）的機(jī)構(gòu)的總體。反饋控制原理為了實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制任務(wù)，首先要將被控對象和控82第一章-自動控制系統(tǒng)概念課件83反饋控制原理在反饋控制系統(tǒng)中，控制裝置對被控對象施加的控制作用，是取自被控量的反饋信息，用來不斷修正被控量和輸入量之間的偏差，從而實(shí)現(xiàn)對被控對象進(jìn)行控制的任務(wù)，這就是反饋控制的原理。反饋控制原理在反饋控制系統(tǒng)中，控制裝置對被控對象施加的控制作84反饋控制利用通過負(fù)反饋產(chǎn)生的偏差所取得的控制作用去消除偏差的控制原理稱為反饋控制原理；反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執(zhí)行。在控制過程中，測量測量所關(guān)心的變量，并與期望值相比較，用這個誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。不管什么原因引起被控制量偏離其期望值而產(chǎn)主偏差時，一定會產(chǎn)生一個相應(yīng)的控制作用，而該控制作用將盡可能去消除偏差，使被控制量重新恢復(fù)到期望值上去。因此，反饋控制系統(tǒng)具有抑制任何內(nèi)外部干擾對系統(tǒng)輸出影響的能力。反饋控制利用通過負(fù)反饋產(chǎn)生的偏差所取得的控制作用去消除偏差的85按控制方法分類最優(yōu)控制（optimalcontrol）使控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的基本條件和綜合方法。對一個受控的動力學(xué)系統(tǒng)或運(yùn)動過程，從一類允許的控制方案中找出一個最優(yōu)的控制方案，使系統(tǒng)的運(yùn)動在由某個初始狀態(tài)轉(zhuǎn)移到指定的目標(biāo)狀態(tài)的同時，其性能指標(biāo)值為最優(yōu)。這類問題廣泛存在于技術(shù)領(lǐng)域或社會問題中。例如，確定一個最優(yōu)控制方式使空間飛行器由一個軌道轉(zhuǎn)換到另一軌道過程中燃料消耗最少(或耗時最短)。最優(yōu)控制已被應(yīng)用于綜合和設(shè)計(jì)最優(yōu)控制系統(tǒng)、最省燃料控制系統(tǒng)、最小能耗控制系統(tǒng)、線性調(diào)節(jié)器等。按控制方法分類最優(yōu)控制（optimalcontrol）這86按控制方法分類系統(tǒng)辨識(SystemIdentification)

根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出時間函數(shù)來確定描述系統(tǒng)行為的數(shù)學(xué)模型。通過辨識建立數(shù)學(xué)模型的目的是估計(jì)表征系統(tǒng)行為的重要參數(shù)，建立一個能模仿真實(shí)系統(tǒng)行為的模型，用當(dāng)前可測量的系統(tǒng)的輸入和輸出預(yù)測系統(tǒng)輸出的未來演變，以及設(shè)計(jì)控制器。對系統(tǒng)進(jìn)行分析的主要問題是根據(jù)輸入時間函數(shù)和系統(tǒng)的特性來確定輸出信號。對系統(tǒng)進(jìn)行控制的主要問題是根據(jù)系統(tǒng)的特性設(shè)計(jì)控制輸入，使輸出滿足預(yù)先規(guī)定的要求。而系統(tǒng)辨識所研究的問題恰好是這些問題的逆問題。按控制方法分類系統(tǒng)辨識(SystemIdentifica87自適應(yīng)控制(Self-adaptablecontrol)

自適應(yīng)是指生物能改變自己的習(xí)性以適應(yīng)新的環(huán)境的一種特征。自適應(yīng)控制器應(yīng)當(dāng)是這樣一種控制器，它能修正自己的特性以適應(yīng)對象和擾動的動態(tài)特性的變化。自適應(yīng)控制的研究對象是具有一定程度不確定性的系統(tǒng)，這里所謂的“不確定性”是指描述被控對象及其環(huán)境的數(shù)學(xué)模型不是完全確定的，其中包含一些未知因素和隨機(jī)因素。自適應(yīng)控制(Self-adaptablecontrol)88魯棒控制(Robustcontrol)

系統(tǒng)的“魯棒性”，是指控制系統(tǒng)在一定（結(jié)構(gòu)，大?。┑膮?shù)攝動下，維持某些性能的特性。以閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒性作為目標(biāo)設(shè)計(jì)得到的固定控制器稱為魯棒控制器。由于工作狀況變動、外部干擾以及建模誤差的緣故，實(shí)際工業(yè)過程的精確模型很難得到，而系統(tǒng)的各種故障也將導(dǎo)致模型的不確定性，因此可以說模型的不確定性在控制系統(tǒng)中廣泛存在。如何設(shè)計(jì)一個固定的控制器，使具有不確定性的對象滿足控制品質(zhì)，就是魯棒控制的任務(wù)。魯棒控制(Robustcontrol)89按控制對象及控制方式分類單輸入--單輸出多輸入--多輸出按控制對象及控制方式分類單輸入--單輸出90按系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型分類線性連續(xù)控制系統(tǒng)這類系統(tǒng)可以用線性微分方程式描述，其一般形式為被控量輸入量系數(shù)系數(shù)按系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型分類線性連續(xù)控制系統(tǒng)被控量輸入量系數(shù)系數(shù)91線性定常連續(xù)系統(tǒng)按其輸入量的變化規(guī)律不同，又可分為恒值控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。1）恒值控制系統(tǒng)的輸入量是一個常值，要求被控量也等于一個常值，故又稱為調(diào)節(jié)器。這類控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是研究各種擾動對控制對象的影響以及抗干擾的措施。2）隨動系統(tǒng)的輸入量是預(yù)先未知的隨時間任意變化的函數(shù)，要求被控量以盡可能小的誤差跟隨輸入量的變化，故又稱跟蹤系統(tǒng)。在這類系統(tǒng)中，擾動的影響是次要的，系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是研究被控量跟隨的快速性和準(zhǔn)確性。線性定常連續(xù)系統(tǒng)按其輸入量的變化規(guī)律不同，又可分為恒值控制系923）程序控制系統(tǒng)的輸入量是按預(yù)定規(guī)律隨時間變化的函數(shù)，要求被控量迅速、準(zhǔn)確地加以復(fù)現(xiàn)。例如，機(jī)械加工中的數(shù)控機(jī)床。這類控制系統(tǒng)的輸入量也是時間的函數(shù)，與隨動系統(tǒng)的輸入量不同的是，其時間函數(shù)是已知的，而隨動系統(tǒng)的輸入量是未知的任意時間函數(shù)。恒值控制系統(tǒng)也可視為程序控制系統(tǒng)的特例。3）程序控制系統(tǒng)的輸入量是按預(yù)定規(guī)律隨時間變化的函數(shù)，要求被932.線性定常離散控制系統(tǒng)

離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)的某處或多處的信號為脈沖序列或數(shù)碼形式，因而信號在時間上是離散的。連續(xù)信號經(jīng)過采樣開關(guān)的采樣后，就可以轉(zhuǎn)換成離散信號。一般地，在離散系統(tǒng)中，既有連續(xù)的模擬信號，也有離散的數(shù)字信號。離散系統(tǒng)要用差分方程來描述，差分方程的一般形式為：常系數(shù)常系數(shù)輸出采樣序列輸入采樣序列差分方程的次數(shù)2.線性定常離散控制系統(tǒng)離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)的某處或多943.非線性控制系統(tǒng)系統(tǒng)中只要有一個元件的輸入-輸出特性是非線性的，這類系統(tǒng)就稱為非線性控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)要用非線性微分方程（或非線性差分方程）來描述其特性。非線性方程的特點(diǎn)是系數(shù)與變量有關(guān)，或者方程中含有變量及其導(dǎo)數(shù)的高次冪或乘積項(xiàng)。目前，對不同類型的非線性控制系統(tǒng)的研究還沒有統(tǒng)一、有效的方法，對于一些非線性程度不太嚴(yán)重的元件，可在一定范圍內(nèi)進(jìn)行線性化處理，使之近似成為線性系統(tǒng)。3.非線性控制系統(tǒng)系統(tǒng)中只要有一個元件的輸入-輸出特性是非線95自動控制與人工控制人工控制過程分析對策觀察執(zhí)行工作對象觀察預(yù)期目標(biāo)干擾實(shí)際結(jié)果自動控制與人工控制人工控制過程分析對策觀察執(zhí)行工作對象觀察預(yù)96自動控制的方法測量執(zhí)行測量比較計(jì)算受控對象被控量干擾工作對象——受控對象實(shí)際對象——被控量給定值自動控制的方法測量執(zhí)行測量比較計(jì)算受控對象被控量干擾工作對97開環(huán)控制：開環(huán)控制：系統(tǒng)的輸出量與輸入量之間只有順向作用，而無反向聯(lián)系，輸出量對系統(tǒng)的控制過程不發(fā)生影響計(jì)算執(zhí)行受控對象干擾給定值被控量開環(huán)控制：開環(huán)控制：系統(tǒng)的輸出量與輸入量之間只有順向作用，而98開環(huán)控制的特點(diǎn)：輸出量只取決于控制信號和元件特性。當(dāng)系統(tǒng)元件性能發(fā)生變化或出現(xiàn)干擾因素時，被控量將與給定值之間發(fā)生發(fā)生較大偏差而不能自動校正。輸出量的控制精度將取決于控制器及被控對象的參數(shù)穩(wěn)定性。環(huán)節(jié)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定性好。于是開環(huán)系統(tǒng)具有規(guī)定的精度，系統(tǒng)各元、部件的參數(shù)值，在工作過程中，必須嚴(yán)格保持在事先校準(zhǔn)的量值上。開環(huán)控制的特點(diǎn)：99閉環(huán)（反饋）控制：

需控制的是被控對象的被控量，而測量的也是被控量。并與給定值進(jìn)行比較計(jì)算，求得它們的偏差，通過偏差來自動糾正偏差——按偏差調(diào)節(jié)系統(tǒng)。利用通過負(fù)反饋產(chǎn)生的偏差所取得的控制作用去消除偏差的控制原理稱為反饋控制原理。比較計(jì)算執(zhí)行受控對象測量給定值被控量閉環(huán)（反饋）控制：比較計(jì)算執(zhí)行受控對象測量給定值被控量100閉環(huán)(反饋)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：無論是由干擾造成的，還是由結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化引起的，只要被控量出現(xiàn)偏差，系統(tǒng)則自動糾偏，使被控量重新恢復(fù)到期望值上去。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度高，穩(wěn)定性降低，實(shí)現(xiàn)較困難。只有當(dāng)系統(tǒng)的擾動量無法事先預(yù)計(jì)的情況下，閉環(huán)控制方案才具有明顯的優(yōu)勢。閉環(huán)(反饋)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：101閉環(huán)控制系統(tǒng)必須滿足的要求必須對被控制量進(jìn)行測量，并將其反饋到系統(tǒng)的輸入端與控制量相減（即負(fù)反饋），得到偏差；對偏差進(jìn)行適當(dāng)放大，從而產(chǎn)生對被控對象（如電動機(jī)）的控制作用；上述控制作用應(yīng)使被控制量作消除偏差保持期望值的相應(yīng)變化。閉環(huán)控制系統(tǒng)必須滿足的要求必須對被控制量進(jìn)行測量，并將其反102開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)的比較開環(huán)控制系統(tǒng)是由輸入來控制輸出的單向控制,它是單向的控制過程；閉環(huán)控制系統(tǒng)是輸出量反饋回輸入端參與控制的控制系統(tǒng),輸入量與輸出量往往是不同性質(zhì)的量；其特點(diǎn)為：

1、有反饋；

2、會調(diào)整；

3、被控量會被控制在一定的值——結(jié)果穩(wěn)定；

4、“結(jié)果”會影響“結(jié)果”；

5、給定量與被控量是可比較的同一種性質(zhì)的量。開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)的比較開環(huán)控制系統(tǒng)是由輸入來控制輸出的單103b.開環(huán)控制系統(tǒng)容易建造，且不必對被控制量進(jìn)行測量和反饋，因而結(jié)構(gòu)簡單。故當(dāng)系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的干擾預(yù)先確知，且可做到有效補(bǔ)償時，采用開環(huán)控制具有一定優(yōu)越性，特別是被控制量難以直接測量時可以考慮采用開環(huán)控制方案。只有當(dāng)系統(tǒng)的擾動量無法事先預(yù)計(jì)的情況下，閉環(huán)控制方案才具有明顯的優(yōu)越性；c.從系統(tǒng)的穩(wěn)定性來考慮，開環(huán)控制系統(tǒng)在這個問題上容易解決，因而不是一個十分重要的問題；但對閉環(huán)控制系統(tǒng)來說，穩(wěn)定性則是要研究的主要問題之一。b.開環(huán)控制系統(tǒng)容易建造，且不必對被控制量進(jìn)行測量和反饋104d.對開環(huán)控制系統(tǒng)來說，由于不存在被控制量到控制量的負(fù)反饋，所以對于擾動給被控制量造成的誤差，系統(tǒng)不具有自行修正的能力。對于這類系統(tǒng)的控制精度便完全由采用高精度元件和采取有效的抗干擾措施來保證；在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，由于采用負(fù)反饋因而被控制量對于外部和內(nèi)部的干擾都不甚敏感，從而有可能采用精度不高，成本低廉的元件來構(gòu)成控制質(zhì)量較高的系統(tǒng)；d.對開環(huán)控制系統(tǒng)來說，由于不存在被控制量到控制量的負(fù)反饋105

項(xiàng)目

開環(huán)控制

閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)抑制擾動能力控制精度設(shè)計(jì)與分析簡單無一般較方便復(fù)雜能夠抑制內(nèi)、外擾動對系統(tǒng)輸出的影響較高較困難，需要考慮不換系統(tǒng)穩(wěn)定性反饋控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)比較項(xiàng)目開環(huán)控制閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡單復(fù)雜反饋控106復(fù)合控制

在反饋控制系統(tǒng)中，加入開環(huán)控制措施（稱為前饋），以補(bǔ)償反饋控制的不足，稱為復(fù)合控制。常用于對控制性能要求較高的系統(tǒng)中。如下圖中（a）、（b）、（c）。復(fù)合控制107第一章-自動控制系統(tǒng)概念課件108控制系統(tǒng)常用符號及表示方法

r(t)代表控制量或控制信號；

c(t)代表被控制量或被控制信號；

ε(t)代表偏差或偏差信號；

f(t)代表擾動量或擾動信號；符號○代表信號比較，其中“－”號表示對反饋信號y(t)取負(fù)值，即負(fù)反饋。方框圖中箭頭指示方向代表信號流通方向，箭頭進(jìn)入方框的一側(cè)為方框的輸入端，箭頭離開方框的一側(cè)為其輸出端。對構(gòu)成系統(tǒng)的每一個方框來說，箭頭指示方向是不變的，說明信號在控制系統(tǒng)中是單方向流通的，不可逆的；×控制系統(tǒng)常用符號及表示方法r(t)代表控制量或控制信號；109控制系統(tǒng)分類舉例隨動系統(tǒng)：隨動系統(tǒng)又稱為servosystem，是一種反饋控制系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，輸出量是機(jī)械位移、速度或者加速度。由于隨動系統(tǒng)的參考輸入不是時間的解析函數(shù)，如何變化事先并不知道,因此，控制輸入量的變化規(guī)律不能預(yù)先確定?？刂葡到y(tǒng)的任務(wù)是在各種情況下保證輸出量以一定精度迅速、準(zhǔn)確、平穩(wěn)地跟隨著參考輸入的變化而變化。就反饋控制系統(tǒng)來說，其控制信號r(t)為任意時間函數(shù)，其變化規(guī)律很難預(yù)測，若要求系統(tǒng)準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)這樣的控制信號，則稱這類反饋控制系統(tǒng)為隨動系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)分類舉例隨動系統(tǒng)：隨動系統(tǒng)又稱為servosys110控制的任務(wù)：使工作機(jī)械隨指令機(jī)構(gòu)同步轉(zhuǎn)動Qc(t)=Qr(t)舉例：控制的任務(wù)：使工作機(jī)械隨指令機(jī)構(gòu)同步轉(zhuǎn)動Qc(t)=Q111被控對象：

工作機(jī)械被控量：

Qc給定值：

Qr測量元件：

轉(zhuǎn)角Qc及Qr通過兩個相同的電位計(jì)測量并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓Uc和Ur；計(jì)算比較：

兩電位計(jì)橋式連接，即可完成減法運(yùn)算Us=（Ur-Uc），Us即代表了被控量Qc對給定值Qr

的偏差；執(zhí)行機(jī)構(gòu)：

電機(jī)減速裝置；被控對象：112方框圖方框圖113控制原理

Qc=Qr，則Uc=Ur，Us=0，電機(jī)不轉(zhuǎn)，系統(tǒng)平衡；

Qr

增大，Ur增大，若Qc不變、Uc不變則Us=Ur-Uc大于0，電機(jī)正轉(zhuǎn)，使Qc增大，直到Qc=Qr，達(dá)到新的平衡；Qr減小，Ur減小，若Qc不變、Uc不變則

Us=Ur-Uc小于0，電機(jī)反轉(zhuǎn)，使Qc減小，

直到Qc=Qr，達(dá)到新的平衡?？刂圃?14恒值控制系統(tǒng)定義若反饋控制系統(tǒng)控制量取常值，從而要求其被控制量也保持在相應(yīng)的常值上，則稱這類反饋控制系統(tǒng)為恒值控制系統(tǒng)。特點(diǎn)在恒值控制系統(tǒng)中，由于其控制量取常值，所以使被控制量偏離其期望值的主要因素為擾動量的存在。恒值控制系統(tǒng)定義115舉例舉例116分析被控對象：烘爐被控量：爐溫Tc

干擾：工件、環(huán)境溫度、煤氣壓力等依靠調(diào)節(jié)煤氣管道上的閥門改變爐溫；測量元件：熱電偶，它將爐溫轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓給定裝置：給定電位計(jì)輸出電壓Ur相當(dāng)于要求的爐溫計(jì)算：

Ur、Ut兩電壓反接，即完成減法運(yùn)算輸出電壓（Ur-Ut）相當(dāng)于爐溫的偏差執(zhí)行機(jī)構(gòu)：電動機(jī)及傳動裝置分析117控制原理：假定爐溫恰好等于給定值，事先調(diào)整好。這時：Ut=Ur，電壓差等于零，電機(jī)不轉(zhuǎn)；煤氣流量不變，烘爐處于恒溫狀態(tài)。如果增加工件，烘爐的負(fù)荷加大，而煤氣流量一時沒變，則爐溫下降，T減小導(dǎo)致Ut下降，（Ur-Ut）大于0，電機(jī)正轉(zhuǎn)帶動閥門開大，增加煤氣供給量，爐溫回升，直到Ut=Ur。若工件減少，則T上升，Ut增大，（Ur-Ut）小于零，電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動閥門關(guān)小，減小煤氣流量，爐溫下降，直到Ut=Ur為止?？刂圃恚?18數(shù)字控制系統(tǒng)數(shù)字控制系統(tǒng)是一類以數(shù)字計(jì)算機(jī)為控制器實(shí)現(xiàn)具有連續(xù)工作狀態(tài)被控對象閉環(huán)控制的反饋控制系統(tǒng)。由于控制量r(t)，被控制量c(t)和偏差e(t)均為模擬量，而數(shù)字計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字的離散信號。因此在數(shù)字控制系統(tǒng)中需采用采樣開關(guān)，模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（A/D），數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器（D/A）和保持器。數(shù)字控制系統(tǒng)119自動控制系統(tǒng)的